CA2583850C - Aube de stator a calage variable de turbomachine - Google Patents
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Abstract
La présente invention porte sur une aube de stator de turbomachine, à calage variable, comportant une pale (12), prolongée d'un côté par un pivot (14) par lequel elle est montée rotative dans un alésage du carter (3) de la turbomachine, et une platine (13), entre la pale et le pivot, perpendiculaire à la direction formée par la pale et le pivot. L'aube est caractérisée par le fait que la face de la platine opposé à la pale comprenant une première zone (20) et une seconde zone (22), la première zone (20) étant soumise à un frottement intense avec la paroi du carter (3) en raison des efforts transversaux appliqués sur la pale (12), l'épaisseur de la platine sur la seconde zone (22) est réduite par rapport à l'épaisseur de platine de la première zone (20). L'invention permet de réduire la masse de l'aube sans perte de performance.
Description
. La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines tel qu'un compresseur axial de moteur à turbine à gaz, et vise en particulier les aubes de stator à calage variable de la machine.
Un système articulé, comme les aubes de redresseur à calage variable d'un compresseur de moteur à turbine à gaz, comprend des pièces en mouvement relatif les unes par rapport aux autres. Sur les figures 1 et 2, on a représenté de façon schématique, une aube 1 de redresseur à calage variable montée dans le carter 3 de la machine. L'aube statorique comprend une pale 12, une platine ou plateforme 13 et une tige formant pivot 14 à
une extrémité. Le pivot 14 est logé dans un alésage ou orifice radial ménagé dans la paroi du carter 3 par l'intermédiaire de différents paliers.
L'aube n'est tenue que par cette extrémité. L'autre extrémité retient un élément annulaire flottant 16 dans lequel il est monté pivotant par un second pivot 17. L'anneau est pourvu de moyens d'étanchéité pour la partie du rotor 18 qui lui est adjacente. Le pivot 14 tourillonne dans l'alésage correspondant du carter par l'intermédiaire de paliers, par exemple un palier bas 4. La plateforme 13 est logée dans une cavité en forme de lamage usiné dans la paroi de ce carter. La paroi du carter est en contact radial avec la plateforme 13 soit directement soit par l'intermédiaire d'une douille ou rondelle. La partie haute du pivot 14 est retenue dans un palier haut 5. La face opposée de la plateforme 13 par rapport au palier 4 forme la base de la pale et est balayée par les gaz mis en mouvement par le compresseur. Cette face de la platine est conformée de manière à assurer la continuité de la veine formée par le carter. Un écrou maintient l'aube dans son logement et un levier actionné par des organes de commande appropriés, commande la rotation de l'aube autour de l'axe XX de la tige pour mettre celle-ci dans la position requise par rapport à la direction du flux gazeux. Les mouvements relatifs résultent du glissement des surfaces en contact entre elles.
Dans le cas d'un compresseur axial de moteur à turbine à gaz o[0)u bien d'un compresseur axial seul d'air ou autre gaz, tel que de haut fourneau ou gaz naturel, la pale 12 est soumise sur toute sa longueur aux efforts aérodynamiques et de pression engendrés par le flux gazeux. La composante de ces efforts orientée perpendiculairement à la corde dans le sens intrados vers extrados, en passant généralement par l'axe du pivot est la plus importante. On note cependant que dans les cas de braquages importants la composante peut s'écarter de cet axe. La pale est soumise aussi à des efforts axiaux de pression statique dirigés vers l'amont en raison de la différence de pression entre l'aval et l'amont. La force résultante est
Un système articulé, comme les aubes de redresseur à calage variable d'un compresseur de moteur à turbine à gaz, comprend des pièces en mouvement relatif les unes par rapport aux autres. Sur les figures 1 et 2, on a représenté de façon schématique, une aube 1 de redresseur à calage variable montée dans le carter 3 de la machine. L'aube statorique comprend une pale 12, une platine ou plateforme 13 et une tige formant pivot 14 à
une extrémité. Le pivot 14 est logé dans un alésage ou orifice radial ménagé dans la paroi du carter 3 par l'intermédiaire de différents paliers.
L'aube n'est tenue que par cette extrémité. L'autre extrémité retient un élément annulaire flottant 16 dans lequel il est monté pivotant par un second pivot 17. L'anneau est pourvu de moyens d'étanchéité pour la partie du rotor 18 qui lui est adjacente. Le pivot 14 tourillonne dans l'alésage correspondant du carter par l'intermédiaire de paliers, par exemple un palier bas 4. La plateforme 13 est logée dans une cavité en forme de lamage usiné dans la paroi de ce carter. La paroi du carter est en contact radial avec la plateforme 13 soit directement soit par l'intermédiaire d'une douille ou rondelle. La partie haute du pivot 14 est retenue dans un palier haut 5. La face opposée de la plateforme 13 par rapport au palier 4 forme la base de la pale et est balayée par les gaz mis en mouvement par le compresseur. Cette face de la platine est conformée de manière à assurer la continuité de la veine formée par le carter. Un écrou maintient l'aube dans son logement et un levier actionné par des organes de commande appropriés, commande la rotation de l'aube autour de l'axe XX de la tige pour mettre celle-ci dans la position requise par rapport à la direction du flux gazeux. Les mouvements relatifs résultent du glissement des surfaces en contact entre elles.
Dans le cas d'un compresseur axial de moteur à turbine à gaz o[0)u bien d'un compresseur axial seul d'air ou autre gaz, tel que de haut fourneau ou gaz naturel, la pale 12 est soumise sur toute sa longueur aux efforts aérodynamiques et de pression engendrés par le flux gazeux. La composante de ces efforts orientée perpendiculairement à la corde dans le sens intrados vers extrados, en passant généralement par l'axe du pivot est la plus importante. On note cependant que dans les cas de braquages importants la composante peut s'écarter de cet axe. La pale est soumise aussi à des efforts axiaux de pression statique dirigés vers l'amont en raison de la différence de pression entre l'aval et l'amont. La force résultante est
2 illustrée par la flèche F sur les figures. Il s'ensuit l'application d'un moment qui associé à la rotation de calage autour de l'axe XX sur une amplitude qui peut atteindre et dépasser 40 degrés, crée une zone de frottement intense. Ce frottement conduit accessoirement à une usure de la platine et/ou des douilles. Cette première zone 20 de frottement intense est localisée sur une partie de la surface de la platine. Elle est signalée par des croix sur la figure 2. Ainsi en fonctionnement normal de la machine, en raison de ces efforts de basculement appliqués sur la pale 12, la platine vient en appui par cette première zone 20 contre la surface du logement ménagé dans la paroi du carter, tandis que sur la partie diamétralement opposée par rapport au pivot, les efforts d'appui sont nuls ou très faibles.
Dans le domaine aéronautique toute surcharge pondérale est à éviter, et indépendamment de la suppression de toute surcharge, on cherche aussi à
éliminer toute masse qui ne remplit aucune fonction qu'elle soit mécanique ou aérodynamique.
Le déposant a par ailleurs comme objectif permanent de trouver des solutions qui permettent d'alléger la machine sans nuire pour autant à ses performances et à sa fiabilité. Tout gain en masse améliore le rendement de la machine et permet de réduire les coûts d'exploitation.
Le déposant en poursuivant cet objectif est ainsi parvenu à la présente invention se rapportant à une aube de stator à calage variable.
Conformément à l'invention, l'aube de stator de turbomachine, à calage variable, comportant une pale, prolongée d'un côté par un pivot par lequel elle est montée rotative dans un alésage du carter de la turbomachine, et une platine, entre la pale et le pivot, perpendiculaire à la direction formée par la pale et le pivot , est caractérisée par le fait que la face de la platine opposée à la pale comprenant une première zone et une seconde zone, la première zone étant soumise à un frottement intense avec la paroi du carter en raison des effort transversaux appliqués sur la pale et la seconde zone étant soumise en fonctionnement normal à un frottement plus faible que la première zone, l'épaisseur de la platine sur la seconde zone est réduite par rapport à l'épaisseur de la platine sur la première zone.
Les aubes à calage variable, notamment de compresseur axial, de l'art antérieur ont une platine d'épaisseur uniforme si on ne tient pas compte de[0] la courbure et/ou non linéarité de la veine de gaz. Ainsi grâce à
Dans le domaine aéronautique toute surcharge pondérale est à éviter, et indépendamment de la suppression de toute surcharge, on cherche aussi à
éliminer toute masse qui ne remplit aucune fonction qu'elle soit mécanique ou aérodynamique.
Le déposant a par ailleurs comme objectif permanent de trouver des solutions qui permettent d'alléger la machine sans nuire pour autant à ses performances et à sa fiabilité. Tout gain en masse améliore le rendement de la machine et permet de réduire les coûts d'exploitation.
Le déposant en poursuivant cet objectif est ainsi parvenu à la présente invention se rapportant à une aube de stator à calage variable.
Conformément à l'invention, l'aube de stator de turbomachine, à calage variable, comportant une pale, prolongée d'un côté par un pivot par lequel elle est montée rotative dans un alésage du carter de la turbomachine, et une platine, entre la pale et le pivot, perpendiculaire à la direction formée par la pale et le pivot , est caractérisée par le fait que la face de la platine opposée à la pale comprenant une première zone et une seconde zone, la première zone étant soumise à un frottement intense avec la paroi du carter en raison des effort transversaux appliqués sur la pale et la seconde zone étant soumise en fonctionnement normal à un frottement plus faible que la première zone, l'épaisseur de la platine sur la seconde zone est réduite par rapport à l'épaisseur de la platine sur la première zone.
Les aubes à calage variable, notamment de compresseur axial, de l'art antérieur ont une platine d'épaisseur uniforme si on ne tient pas compte de[0] la courbure et/ou non linéarité de la veine de gaz. Ainsi grâce à
3 l'invention on permet de réduire la masse de cette partie de l'aube sans nuire à sa fonctionnalité, à savoir assurer la continuité de la veine et réduire les fuites le long du pivot.
La seconde zone d'épaisseur plus faible s'étend pratiquement sur un arc de 60 à 120 degrés autour de l'axe du pivot.
Pour un compresseur axial, la première zone est située côté extrados et la seconde zone s'étend du côté de l'intrados.
De préférence la seconde zone d'épaisseur réduite est délimitée par une bordure plus épaisse - notamment la face supérieure de cette bordure[0] est dans le prolongement de la surface plane supérieure de la platine - que la première zone de façon à former une chambre de décompression entre la périphérie de la platine et le pivot ce qui permet d'améliorer l'étanchéité.
En outre cette bordure permet de former un contact dans le cas où les efforts viendraient à s'inverser, notamment lorsqu'il se produit des phénomènes de pompage du compresseur. En outre cette disposition est appréciable au montage de la machine en empêchant les pièces de basculer exagérément.
Un moyen simple et économique de réaliser des aubes avec une seconde zone ainsi aménagée est d'usiner la platine. Selon l'outil choisi la cavité
est à fond plat, incurvé ou encore de toute autre forme.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention en regard des dessins sur lesquels La figure 1 montre en coupe selon l'axe de la machine un exemple d'aube de stator à calage variable conventionnelle montée dans un carter de compresseur, La figure 2 montre la même aube vue de dessus, La figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'aube présentant les caractéristiques de l'invention.
En se reportant à la figure 3, on voit une aube de stator représentée seule, dans sa partie proche du pivot 14. La platine 13 est vue de dessus en perspective. Conformément à un mode réalisation de l'invention, on a usiné
dans la face de la platine tournée vers le carter 3 une cavité 22A dans la seconde zone 22, qui n'est pas soumise aux efforts de compression
La seconde zone d'épaisseur plus faible s'étend pratiquement sur un arc de 60 à 120 degrés autour de l'axe du pivot.
Pour un compresseur axial, la première zone est située côté extrados et la seconde zone s'étend du côté de l'intrados.
De préférence la seconde zone d'épaisseur réduite est délimitée par une bordure plus épaisse - notamment la face supérieure de cette bordure[0] est dans le prolongement de la surface plane supérieure de la platine - que la première zone de façon à former une chambre de décompression entre la périphérie de la platine et le pivot ce qui permet d'améliorer l'étanchéité.
En outre cette bordure permet de former un contact dans le cas où les efforts viendraient à s'inverser, notamment lorsqu'il se produit des phénomènes de pompage du compresseur. En outre cette disposition est appréciable au montage de la machine en empêchant les pièces de basculer exagérément.
Un moyen simple et économique de réaliser des aubes avec une seconde zone ainsi aménagée est d'usiner la platine. Selon l'outil choisi la cavité
est à fond plat, incurvé ou encore de toute autre forme.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention en regard des dessins sur lesquels La figure 1 montre en coupe selon l'axe de la machine un exemple d'aube de stator à calage variable conventionnelle montée dans un carter de compresseur, La figure 2 montre la même aube vue de dessus, La figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'aube présentant les caractéristiques de l'invention.
En se reportant à la figure 3, on voit une aube de stator représentée seule, dans sa partie proche du pivot 14. La platine 13 est vue de dessus en perspective. Conformément à un mode réalisation de l'invention, on a usiné
dans la face de la platine tournée vers le carter 3 une cavité 22A dans la seconde zone 22, qui n'est pas soumise aux efforts de compression
4 résultant de l'application de la force F sur la pale 12. Cette cavité 22A a été
ici usinée par des moyens connus en soi. Le fond de la cavité est plan, il pourrait être courbe si la tête d'usinage était en forme de boule. Des formes autres que celle représentée sont possibles. En outre, au lieu d'un usinage, la cavité peut provenir de fonderie, de forge ou de métallurgie des poudres.
La cavité s'étend de préférence sur un arc, de cercle par exemple, de 60 à
120 degrés, correspondant avantageusement à l'arc sous-tendant la zone de frottement intense. Cette cavité a pour fonction de réduire la masse de l'aube mais pas de réduire ses caractéristiques mécaniques. L'épaisseur résultante de la platine est donc suffisante pour assurer la tenue mécanique de la platine. On observe qu'une bordure 23 a été conservée en périphérie de la platine. Cette bordure a une double fonction. La première est de former une chambre de décompression réduisant les fuites d'air entre la veine de la turbomachine et le pivot 14 à travers l'alésage du carter dans lequel est logé le pivot 14. La seconde fonction est de former une surface d'appui en cas d'inversion des efforts résultant d'une anomalie de fonctionnement de la turbomachine, telle que le pompage du compresseur ou encore pour simplifier les opérations de montage. La largeur de cette bordure peut ne pas être constante. Par exemple, elle pourrait être plus large dans une zone à renforcer. Avantageusement son plan supérieur est dans le plan de la platine face au carter.
On a décrit une solution où la réduction d'épaisseur était réalisée sur la face supérieure de la platine. Cependant il entre également dans le cadre de l'invention de réaliser cette réduction d'épaisseur en formant une cavité
dans la face de la platine située du côté de la veine de gaz ou en amincissant la platine par cette face.
ici usinée par des moyens connus en soi. Le fond de la cavité est plan, il pourrait être courbe si la tête d'usinage était en forme de boule. Des formes autres que celle représentée sont possibles. En outre, au lieu d'un usinage, la cavité peut provenir de fonderie, de forge ou de métallurgie des poudres.
La cavité s'étend de préférence sur un arc, de cercle par exemple, de 60 à
120 degrés, correspondant avantageusement à l'arc sous-tendant la zone de frottement intense. Cette cavité a pour fonction de réduire la masse de l'aube mais pas de réduire ses caractéristiques mécaniques. L'épaisseur résultante de la platine est donc suffisante pour assurer la tenue mécanique de la platine. On observe qu'une bordure 23 a été conservée en périphérie de la platine. Cette bordure a une double fonction. La première est de former une chambre de décompression réduisant les fuites d'air entre la veine de la turbomachine et le pivot 14 à travers l'alésage du carter dans lequel est logé le pivot 14. La seconde fonction est de former une surface d'appui en cas d'inversion des efforts résultant d'une anomalie de fonctionnement de la turbomachine, telle que le pompage du compresseur ou encore pour simplifier les opérations de montage. La largeur de cette bordure peut ne pas être constante. Par exemple, elle pourrait être plus large dans une zone à renforcer. Avantageusement son plan supérieur est dans le plan de la platine face au carter.
On a décrit une solution où la réduction d'épaisseur était réalisée sur la face supérieure de la platine. Cependant il entre également dans le cadre de l'invention de réaliser cette réduction d'épaisseur en formant une cavité
dans la face de la platine située du côté de la veine de gaz ou en amincissant la platine par cette face.
Claims (8)
1. Aube de stator de turbomachine, à calage variable, comportant une pale, prolongée d'un côté par un pivot par lequel elle est montée rotative dans un alésage du carter de la turbomachine, et une platine, entre la pale et le pivot, perpendiculaire à la direction formée par la pale et le pivot, caractérisée par le fait que la face de la platine opposée à la pale comprenant une première zone et une seconde zone, la première zone étant soumise à un frottement intense avec la paroi du carter en raison des efforts transversaux appliqués sur la pale, l'épaisseur de la platine sur la seconde zone est réduite par rapport à
l'épaisseur de platine de la première zone.
l'épaisseur de platine de la première zone.
2. Aube selon la revendication 1 dont la partie d'épaisseur plus faible de la seconde zone s'étend sur un arc de 60 à 120 degrés autour du pivot.
3. Aube selon la revendication 1 dont la première zone est située du côté
extrados et la seconde zone s'étend du côté de l'intrados de la pale.
extrados et la seconde zone s'étend du côté de l'intrados de la pale.
4. Aube selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 dont la seconde zone d'épaisseur plus faible est délimitée par une bordure de façon à former une chambre de décompression entre la périphérie de la platine et le pivot.
5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1-4 dont la seconde zone d'épaisseur plus faible forme une cavité obtenue par usinage de la platine.
6. Aube selon la revendication 5 dont la cavité est à fond plat ou fond incurvé.
7. Aube selon la revendication 5 ou 6 dont la cavité est allongée en arc de cercle.
8. Turbomachine comprenant au moins une aube de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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